KR950005167B1 - Rf amplifier for monolithic ic - Google Patents
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- H03F3/189—High frequency amplifiers, e.g. radio frequency amplifiers
- H03F3/19—High frequency amplifiers, e.g. radio frequency amplifiers with semiconductor devices only
Abstract
내용 없음.No content.
Description
제1도는 통상적인 형태의 종래 기술의 고주파 RF 무선주파 증폭기의 개략도.1 is a schematic diagram of a conventional type high frequency RF radiofrequency amplifier of the prior art;
제2도는 본 발명에 따른 집적 회로 RF 증폭기에 대한 제1실시예의 개략도.2 is a schematic diagram of a first embodiment of an integrated circuit RF amplifier according to the present invention;
제3도는 입력 부하 효과를 감소시키도록 변형된 본 발명의 제2실시예의 개략도.3 is a schematic diagram of a second embodiment of the present invention modified to reduce the input load effect.
제4도는 (저항(54)이 본 실시예의 트랜지스터 Q3의 구조내에 포함되는) 제2도의 실시예를 실현하도록 이용되는 집적 회로 칩을 실시한 배치의 평면도(예를들어, IC 마스크의 컴퓨터로 발생된 영역겸분 도면)4 is a plan view of an arrangement in which an integrated circuit chip is used to realize the embodiment of FIG. 2 (the
제5a,5b 및 5c도는 제각기 제3도 실시예의 10mW버전에 대한 개략 회로도, IC칩 배치의 평면도 및, 그 중심부에 대한 분해 평면도.5A, 5B, and 5C are schematic circuit diagrams for the 10 mW version of the FIG. 3 embodiment, respectively, a plan view of the IC chip arrangement, and an exploded plan view of the center thereof.
제6a,6b 및 6c도는 제각기 제3도 실시예의 50mW버전에 대한 제5a 내지 5c도에 상당하는 도면.6a, 6b and 6c correspond to FIGS. 5a to 5c for a 50 mW version of the FIG. 3 embodiment, respectively.
제7a,7b 및 7c도는 또한 제각기 제3도 실시예의 150mW버전에 대한 제5a 내지 제5c도에 상당하는 도면.7a, 7b and 7c also correspond to FIGS. 5a to 5c for the 150 mW version of the FIG. 3 embodiment, respectively.
제8도는 10MHz 내지 800MHz주파수 범위를 통해 신규 증폭기의 각종 입력 전력 레벨에 대한 통상적인 전력 출력의 플롯도.8 is a plot of typical power output for various input power levels of a new amplifier over the 10 MHz to 800 MHz frequency range.
제9도는 400MHz 내지 500MHz의 주파수 범위를 통해 각종 인가된 바이어스 전류에 대한 신규 증폭기의 작동 효율의 플롯도.9 is a plot of the operational efficiency of a novel amplifier over various applied bias currents over a frequency range of 400 MHz to 500 MHz.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
10 : 고주파 전력 증폭기 12 : 결합 커패시터10: high frequency power amplifier 12: coupling capacitor
22 : 무선 주파 초우크 52 : 반도체 웨이퍼22: radio frequency choke 52: semiconductor wafer
70 : 바이어스 저항 72 : 바이패스 커패시터70: bias resistor 72: bypass capacitor
본 발명은 집적 회로의 무선 주파 증폭기에 관한 것으로, 특히 고주파(예를들어 1GHz)응용을 포함한 각종 특정 응용에 있어 아주 양호한 RF증폭을 제공하도록 IC "빌딩 블록"으로서 이용될 수 있는 범용 IC모듈에 관한 것이다.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to wireless frequency amplifiers in integrated circuits, and more particularly to general purpose IC modules that can be used as IC " building blocks " to provide very good RF amplification in a variety of specific applications, including high frequency (e.g. It is about.
무선 주파 증폭기는 적어도 두 주 기능을 갖고 있다. 첫째는, 소정의 출력 레벨을 발생시키도록 정해진 이득 계수로 입력 RF신호를 증폭시켜야 하는 것이며, 둘째로 입력 및 출력 RF신호는 RF임피던스에 미스매치(mismatch)가 되지 않거나 거의 되지 않는(종종 주파수의 광대역 이상의)소정의 RF주파수로 증폭기 내부 및 외부에 효과적으로 결합되어야 한다. 예를들면, 출력 증폭된 RF신호를 출력 단자에 결합된 RF부하에 효과적으로 결합시켜야 한다. 증폭기가 선형급(예를들어, A급, AB급 또는 B급)으로 작동될 시에 상기 출력단은 수납가능한 신호 왜곡의 저 레벨로 부하에 소정량의 RF신호 전력을 전송할 수 있다. 더욱이, 출력단은 부하 임피던스와 무관한 이득을 갖는다. 정동작의 저 전력을 소모하고, 모든 기대 입력 및 출력 상태하에 안정되게 동작시키며, 그리고 증폭기의 주파수 응답을 제한하지 않을 시에 잘 설계된 RF출력 증폭단은 성능 규격이 만들어져야 한다. 불행하게도, 상기(그리고 다른)알려진 소정의 성능 규격이 (예를들어 수백 MHz의 정도 및 GHz 범위에서)고주파로 작동된 RF증폭단에서 동시에 얻기에는 어렵다.The radio frequency amplifier has at least two main functions. The first is to amplify the input RF signal with a given gain factor to produce a given output level, and the second is that the input and output RF signals have little or no mismatch in RF impedance (often at frequencies It must be effectively coupled inside and outside the amplifier at a predetermined RF frequency (above broadband). For example, the output amplified RF signal must be effectively coupled to the RF load coupled to the output terminal. When the amplifier is operated in a linear class (e.g., class A, class AB or class B) the output stage can transmit a certain amount of RF signal power to the load at a low level of acceptable signal distortion. Moreover, the output stage has a gain independent of the load impedance. A well-designed RF output amplifier stage should be made with performance specifications when it consumes low quiescent power, operates stably under all expected input and output conditions, and does not limit the frequency response of the amplifier. Unfortunately, certain (and other) known performance specifications are difficult to obtain simultaneously in high frequency operated RF amplifiers (eg in the hundreds of MHz and in the GHz range).
고주파 RF통신 장비에 있어서, 많은 비용 및 회로는 고전력 출력단을 구동시키도록 상당량의 전력을 발생시킬 수 있는 중간 증폭단을 설계하고 구성하는 것이 통상적으로 필요했다. 고주파에서, 안정성 문제가 단지 5 내지 8dB의 매 단이득이 실용적으로 제공되어야 한다. 관련된 매 단대역 제한 소자는 일반적으로 값이 비싸고, (많은 이유(reason)에 적합하게 소형화 하고 최소화한)최신 RF통신 장비에서의 소중한 부분을 손상시킨다. 안정도 문제는 첫째로 배치 의존 표유(layout-dependent stray)커패시턴스 외에도 활성소자의 유효 커패시턴스에 관련된 미정의 반사 피드백 임피던스에 의해 유발된다. 더욱이, (통상 "밀러"커패시턴스로 칭하는)피드백 커패시턴스는 주파수에 따라 변하는 부하 임피던스와 같이 증폭기의 입력 임피던스가 변하는 제1원인중의 하나다.In high frequency RF communications equipment, many costs and circuits have typically required the design and construction of an intermediate amplifier stage capable of generating a significant amount of power to drive a high power output stage. At high frequencies, stability problems have to be practically provided with a gain of just 5 to 8 dB. Associated short-band limiting devices are typically expensive and damage valuable parts of modern RF communications equipment (miniaturized and minimized for many reasons). The stability problem is firstly caused by the undefined reflection feedback impedance related to the effective capacitance of the active element, in addition to the layout-dependent stray capacitance. Moreover, feedback capacitance (commonly referred to as "miller" capacitance) is one of the first causes of the input impedance of the amplifier to change, such as the load impedance that varies with frequency.
바이폴라 접합 트랜지스터의 콜렉터 및 베이스 구조 사이(또는 전계 효과 트랜지스터의 소스 및 게이트 사이)의 유효 커패시턴스는 비교적 큰 유효 커패시턴스(단의 전압 이득 +1만큼 증배된 기본 소자 커패시턴스)가 트랜지스터에 대해 입력과 병렬로 나타나게 한다. 소자 커패시턴스가 확대되어 입력 단자와 병렬로 되는 프로세스는 밀러 효과로 종종 언급된다. 이 밀러 효과는 증폭기가 잘 설계되지 않을 경우에 실제 트랜지스터 증폭기의 단위 이득 크로스오버 주파수(이득 대역폭의 곱)를 감소시킬 수 있다. 밀러 피드백 커패시턴스량이 단이득에 관련되어 있기 때문에, 그러한 피드백 커패시턴스는 단이득 증가로서 증가한다. 동조 부하의 경우에 있어서, 상기 유효 입력 커패시턴스 통상적으로 크게 변할 수 있다. 제조 문제에 있어서, 상기 미정의 커패시턴스는 어떤 각종 증폭기를 다른 증폭기로 변화시키는데에 비용이 많이 들고 수동 소자의 임계 수동 "트리밍(trimming)"이나 동조가 요구된다.The effective capacitance between the collector and base structure of a bipolar junction transistor (or between the source and gate of a field effect transistor) is such that a relatively large effective capacitance (base element capacitance multiplied by a voltage gain of +1) is in parallel with the input to the transistor. Make it appear. The process of extending device capacitance and paralleling the input terminals is often referred to as the Miller effect. This Miller effect can reduce the unity gain crossover frequency (gain bandwidth product) of the actual transistor amplifier if the amplifier is not well designed. Since the Miller feedback capacitance amount is related to the short gain, such feedback capacitance increases as the short gain increases. In the case of a tuned load, the effective input capacitance can typically vary significantly. In the fabrication problem, the undefined capacitance is expensive to change from one amplifier to another and requires critical passive trimming or tuning of passive components.
증폭단이 바테리 작동된 장비내에 이용될 시마다 부가적으로 DC전력은 필요하다. 과 DC전류는 적절한 레벨로 RF증폭단의 DC바이어스 전류가 소정의 RF출력 전력을 확실히 세트시키는데에 통상적으로 요구된다(예를들어, 대규모 제조하는 상황에서 서로 다른 장치 사이에서 기대된 트랜지스터 이득 변동으로 유발된 바이어싱 변화를 해소시키는 데에 상기 과전류가 때때로 요구된다). 불행하게도, 바테리 전원 공급 장치에서 유도될 시에, 상기 과전류는 전원 공급 장치의 수명을 매우 단축시키므로, 장비의 신뢰도를 감소시키고 장비 유지비를 증가시킨다.Whenever the amplifier stage is used in battery operated equipment, additional DC power is required. Over DC current is typically required to ensure that the DC bias current in the RF amplifier stage at the appropriate level ensures that the desired RF output power is set (e.g., due to expected transistor gain variations between different devices in large scale manufacturing situations). The overcurrent is sometimes required to resolve the biasing change that has been made). Unfortunately, when induced in the battery power supply, the overcurrent greatly shortens the life of the power supply, thereby reducing equipment reliability and increasing equipment maintenance costs.
제1도는 통상적으로 사용된 종래 기술의 한 이산 고주파 전력 증폭기(10)의 개략도이다. 입력 신호는 결합 커패시터(12) 및 매칭 회로망(14)를 통해 증폭기(10)에 결합된다(그것의 목적은 증폭기의 입력 임피던스를 신호원의 임피던스와 매치하여, 더욱 유효한 신호를 전송한다). 증폭기(10)의 RF출력은 트랜지스터(20)의 콜렉터에서 다른 결합 커패시터(18)를 통해 부하(16)에 결합된다. 증폭기(10)는 통상적으로 공통 에미터 구성으로 접속된 바이폴라 접합 트랜지스터(20), 무선 주파(RF) 초우크(22)(L1), 바이어스 전압 분할 저항(24 및 26)과, RF바이패스 커패시터(28)을 포함한다. 바이패스 커패시터(28)과 함께, 전원 공급 장치에 충분한 RF에너지를 인가하지 못하게 하는 RF초우크(22)를 통한 트랜지스터(20)의 콜렉터에 공급 전압 VCC는 접속된다.1 is a schematic diagram of one discrete high frequency power amplifier 10 of the prior art commonly used. The input signal is coupled to the amplifier 10 via a
제1도에 도시된 회로 구성이 서로 다른 응용에 대해 매우 다양하게 이용될 시에, 또한 많은 잇점을 갖고 있는데, 그것 모두는 작동 주파수 증가나 소정의 작동 주파수 대역이 넓게 될 시에 더욱 임계적이다. 증폭기(10)의 입력 및 출력 커패시턴스는 전술된 밀러 효과에 기인하여 수납할 수 없을 정도로 높다. 더욱이, 입력 및 출력 커패시턴스는 증폭기의 순간 이득, 부하, 신호 레벨 및 주파수에 따라 다양하게 변한다. 기대될 수 있는 최대 전력 이득을 매우 제한하는 안정도 및 고이득 사이에서 증폭기(10)의 트레이드 오프(trade-off)가 이루어진다. 더욱이, 전선 접착 인덕턴스가 고전력 레벨에서 임계적이고 더욱 높은 패키징 비용을 초래하므로, 집적 회로 주변의 증폭기(10)의 설치은 또다른 문제를 발생시킨다. 증폭기(10)의 집적 회로 설치는 통상적으로 출력 단자에 접속되도록 집적 회로 칩의 후면을 필요로 하므로, IC칩의 "패키징"내에 이용되도록 접지 절연 기술이 요구된다.When the circuit configuration shown in FIG. 1 is used in a wide variety of different applications, it also has many advantages, all of which are more critical when the operating frequency increases or when a given operating frequency band becomes wider. . The input and output capacitance of the amplifier 10 is unacceptably high due to the Miller effect described above. Moreover, input and output capacitances vary with the amplifier's instantaneous gain, load, signal level, and frequency. A trade-off of the amplifier 10 is made between stability and high gain which greatly limits the maximum power gain that can be expected. Moreover, the installation of amplifier 10 around integrated circuits presents another problem, as wire bond inductances result in critical and higher packaging costs at high power levels. Since the integrated circuit installation of the amplifier 10 typically requires the back side of the integrated circuit chip to be connected to the output terminal, a ground insulation technique is required to be used in the packaging of the IC chip.
다른 고주파 증폭 회로는 집적 회로형의 설치에 더욱 적합하게 된다. 예를들면, 하시모토등(1980)에 의한 미합중국 특허원 제4,240,041호에 단일 반도체 칩상으로 집적될 수 있는 고주파 증폭 회로가 공개되어 있다. 공개된 증폭기의 출력 트랜지스터는 바람직한대로 회로 파라미터를 설정함으로써 AB급, B급 또는 C급으로 작동된다. 더욱이, 상기 참고 문헌에서 공개된 증폭기는 비교적 적은 5개의 리드를 갖는 칩상에 위치될 수 있다. 그러나, 공개된 증폭 회로가 두번 반전(즉, 출력 전압은 입력 전압과 동일한 극성이다)시켜, 출력 단자에서 입력단자로의 정 피드백은 고주파에서 불안정성을 유발시킬 가능성을 있게 한다. 더욱이, 증폭기 이득은 회로내에 이용된 각종 트랜지스터의 상호 콘덕턴스와 상대적 영역의 바이어스 저항에 대한 복소함수이다. 마지막으로, 바이어스 저항은 트랜지스터 이득내에서 기대된 변화를 마스크하도록 비교적 작게 함으로써, 전력이 소모되게 한다.Other high frequency amplification circuits are more suitable for the installation of integrated circuit types. For example, US Patent Application No. 4,240,041 by Hashimoto et al. (1980) discloses a high frequency amplification circuit that can be integrated onto a single semiconductor chip. The output transistors of the disclosed amplifiers are operated in class AB, class B or class C by setting the circuit parameters as desired. Moreover, the amplifier disclosed in the above reference can be placed on a chip with relatively few five leads. However, the disclosed amplification circuit inverts twice (ie, the output voltage is the same polarity as the input voltage), so that positive feedback from the output terminal to the input terminal has the potential to cause instability at high frequencies. Moreover, the amplifier gain is a complex function of the mutual conductance and relative bias bias of the various transistors used in the circuit. Finally, the bias resistors are made relatively small to mask the expected change in transistor gain, thereby consuming power.
본 발명에 관련된 종래 기술의 다른 실시예는 아래와 같은 것을 포함한다(더 많은 예가 있을지도 모른다) : 오도우어에 의한 미합중국 특허원 제3,392,342호(1968) ; 쥬크에 의한 미합중국 특허원 제3,626,313호(1971) ; 위틀링거에 의한 미합중국 특허원 제Re.30,297호(1980) ; 나이트에 의한 미합중국 특허원 제3,992,676호(1976) ; 홀에 의한 미합중국 특허원 제3,942,129호(1976) ; 홀에 의한 미합중국 특허원 제3,950,708호(1976) ; 스케이드 2세에 의한 미합중국 특허원 제3,952,257호(1976) ; 아메드에 의한 미합중국 특허원 제4,028,631호(1977) ; 아메드에 의한 미합중국 특허원 제4,140,977호(1979) ; 스테인에 의한 미합중국 특허원 제4,237,414호(1980) ; 레이디흐에 의한 미합중국 특허원 제4,242,643호(1980).Other embodiments of the prior art related to the present invention include the following (maybe more examples): US Patent Application No. 3,392,342 (1968) by Odor; United States Patent Application No. 3,626,313 to Juke (1971); US Patent Application Re. 30,297 (1980) by Whitlinger; No. 3,992,676 (1976) to Knight; United States Patent Application No. 3,942,129 (1976) by Hall; United States Patent Application No. 3,950,708 by Hall (1976); US Patent Application No. 3,952,257 (1976) by Skade II; United States Patent Application No. 4,028,631 to Amed (1977); United States Patent Application No. 4,140,977 by Ahmed (1979); US Patent Application No. 4,237,414 (1980); United States Patent Application No. 4,242,643 by Leich (1980).
상기에 리스트된 특허는 고주파 증폭기 응용에 이용될 수 있는 각종 바이폴라 접합 트랜지스터 구성을 공개하고 있다. 예를들면, 오도우어에 의한 미합중국 특허원 제3,392,342호에는 전류 미러 바이어스를 공개하고 있다. 쥬크는 입력 및 출력 트랜지스터에 대해 스케일된 기하학을 사용하여 캐스케이드된 출력 배치를 이용한 전류 미러 증폭기를 기술하고, 위틀링거는 동일한 레벨로 입력 및 출력 트랜지스터의 콜렉터 전위를 보유하는 전류 미러 증폭기를 기술하며, 나이트는 자체 바이어스 되고 캐스케이드된 출력단에 따라 위틀링거와 유사한 전류 미러 증폭기를 기술하며, 나이트는 자체 바이어스 되고 캐스케이드된 출력단에 따라 위틀링거와 유사한 전류 미러 증폭기를 나타내고 있다. 아메드에 의한 미합중국 특허원 제4,028,631호에는 입력 임피던스를 감소시키는데에 이용된 콜렉터-베이스가 분로된 입력 바이어스 저항을 구비한 전류 미러 증폭기를 기술하고 있다.The patents listed above disclose various bipolar junction transistor configurations that can be used in high frequency amplifier applications. For example, U.S. Patent Application No. 3,392,342 by Odor discloses a current mirror bias. Juke describes a current mirror amplifier with a cascaded output arrangement using scaled geometry for the input and output transistors, and Whitlinger describes a current mirror amplifier that holds the collector potential of the input and output transistors at the same level, Knight describes a current mirror amplifier similar to Wittlinger with its self-biased and cascaded output stage, and Knight represents a current mirror amplifier similar to Wittlinger with its own biased and cascaded output stage. U.S. Patent No. 4,028,631 to Ahmed, describes a current mirror amplifier with a collector-base shunted input bias resistor used to reduce input impedance.
집적 회로 기술의 신규 잇점과, 상기 확인된 것과 같은 다수의 종래 기술 회로가 있음에도 불구하고, 정해진 DC입력 전류에 대한 DC출력 전류를 정확히 제어하여 정해진 RF출력 전력에 대한 DC입력 전력을 최소화할시에 RF고주파의 광대역에 걸쳐 매우 정확하고 비교적 고이득 및 전력 레벨을 제공할 수 있는 모놀리식(즉, 집적 회로)RF증폭기 빌딩 블록이 개발되지 않았다. 더욱이, 고안되어온 대부분의 집적 회로 고주파 증폭단은 부하 임피던스의 변화에 따라 광범위하게 변하는 과입력 커패시턴스에 의한 상당한 고주파 안정성 문제가 따른다. 활성 증폭기 소자내에서 커패시턴스 변화에 의한 각 소자의 임계 제조소의 트림은 통상적으로 과거에는 소정의 이득 계수를 얻는 것이 필요되었고, 캐스케이드단도 통상적으로 그러한 트리밍기술이 사용될 시에 RF전력 장치나 모듈을 구동시킬 필요가 있다. 종래에는 상기 모든 문제점을 단순성과 적은 비용으로 해결한 집적 회로 빌딩 블록이 이용되지 않았다. 이용 가능하다면, 그러한 빌딩 블록은 이동식, 구획식 및 손으로 쥘 수 있는 바테리 통신 장비를 포함한 각종 RF통신 장비의 곱(product)라인에 이용될 수 있다. 그러한 빌딩 블록이 고효율로 안정성을 성취할 수 있을 경우, RF전치 증폭기, RF전력 구동기, RF전력 모듈 및, 수신 혼합기나 IF증폭기와 같은 그러한 장치내에서의 서로 다른 응용으로 다양하게 이용되는 것이 이상적이다.Despite the novel advantages of integrated circuit technology and many prior art circuits as identified above, it is possible to accurately control the DC output current for a given DC input current to minimize the DC input power for a given RF output power. No monolithic (ie integrated circuit) RF amplifier building blocks have been developed that can provide very accurate, relatively high gain and power levels over a wide frequency band of RF. Moreover, most integrated circuit high frequency amplification stages that have been devised suffer from significant high frequency stability problems due to over input capacitance that varies widely with changes in load impedance. The critical manufactory trim of each device due to capacitance changes in the active amplifier device has typically required obtaining a certain gain factor in the past, and cascade stages are also typically used to drive RF power devices or modules when such trimming techniques are used. There is a need. Conventionally, integrated circuit building blocks that solve all of these problems with simplicity and low cost have not been used. If available, such building blocks may be used in the product line of various RF communication equipment, including mobile, compartmentalized and handheld battery communication equipment. Where such building blocks can achieve stability with high efficiency, they are ideally suited for a variety of different applications within such devices, such as RF preamplifiers, RF power drivers, RF power modules, and receive mixers or IF amplifiers. .
본 발명은 고주파 집적 회로의 RF증폭기를 제공하는 것인데, 상기 증폭기는 광대역 RF주파수에 걸쳐 정확한 고이득을 제공하고, 매우 효율적으로 DC입력 전력을 이용하며, 매우 높은 RF주파수(즉, 1GHz이상)에서 안정성을 갖고 있으며, 그리고 부하 임피던스와 크게 무관한 충분히 감소된 입력 커패시턴스를 구비한다. 매우 간단하게 요약하면, 신규 증폭기의 모듈은 두 캐스케이드 증폭단, 즉 전압 이득에 의해 폴로우(follow)된 전류 이득을 포함한다. 아래 다이오드 양단의 안정 전압 드롭(drop)을 갖는 순방향 바이어스 다이오드(예를들어, 단락된 콜렉터-베이스 트랜지스터)에 의해 번갈아 공급된 전류 미러 장치에 의해 입력 전류 이득단은 바이어스 된다. 전류 이득단의 양단에서 비교적 저압을 유지하여, 캐스코드 저압 이득단의 양단에서 전압 스윙을 최소화할 시에 다이오드는 온도 보상을 제공한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides an RF amplifier for a high frequency integrated circuit, wherein the amplifier provides accurate high gain over a wideband RF frequency, utilizes DC input power very efficiently, at very high RF frequencies (i.e. above 1 GHz). It is stable and has a sufficiently reduced input capacitance that is largely independent of the load impedance. In a very simple summary, the module of the new amplifier includes two cascade amplifier stages, the current gain followed by the voltage gain. The input current gain stage is biased by a current mirror device alternately supplied by a forward bias diode (e.g., shorted collector-base transistor) with a stable voltage drop across the bottom diode. The diode provides temperature compensation when maintaining a relatively low voltage across the current gain stage to minimize voltage swing across the cascode low voltage gain stage.
본 발명에 따른 증폭기는 같은 반도체 웨이퍼상에서 양호하게 제조된 4개의 트랜지스터를 포함한다.(복합 패드가, 전선 접속 콘덕턴스를 최대화 하거나 인덕턴스를 최소화 하기 위하여 소정의 4개의 단자 포인트에 병렬로 접속되지만)단지 4개의 외부 악세스(access) 리드(즉, IC"패드")만이 증폭기 칩에 충분한 외부 악세스를 제공할 수 있다. 외부에 단지 4개의 접속부만이 요구되기 때문에, 전 모듈은 종래 4개의 리드된 "마이크로-X" IC 패키지/캐리어내에서 매우 유리하게 "패키지"될 수 있다.The amplifier according to the invention comprises four transistors well fabricated on the same semiconductor wafer (although the composite pads are connected in parallel to some four terminal points in order to maximize wire connection conductance or minimize inductance). Only four external access leads (ie, IC'pad ') can provide sufficient external access to the amplifier chip. Since only four connections are required externally, all modules can be very advantageously packaged in conventional four-lead “micro-X” IC packages / carriers.
제1 및 2트랜지스터(Q1 및 Q2)는 전류 미러 구성내에서 함께 접속된다(즉, 제1 및 2트랜지스터의 에미터 영역은 스케일되고, 전극은 제2트랜지스터 Q2를 통해 흐르는 전류가 제1트랜지스터 Q1을 통해 흐르는 다수의 전류이도록 상호 접속된다). 제1전류 미러 트랜지스터 Q1은 제2트랜지스터 Q2를 바이어스 시키도록 작동한다. 제3트랜지스터 Q3(콜렉터-베이스 단락 다이오드)는 전류 미러가 결합된 제1 및 2트랜지스터에 DC바이어스 공급원을 제공하며, 또한 제2트랜지스터 Q2(전류 이득단)가 (포화되지 않은)활성 영역에서 적당히 작동하도록 정확한 전압 드롭을 제공한다. 제2트랜지스터 Q2(공통 에미터 전류 이득) 및 제4트랜지스터 Q4(공통 베이스 전압 이득)는 캐스코드 구성내에서 함께 접속되며, 또한 Q3다이오드 양단의 전압드롭은 Q4양단의 콜렉터-에미터 전압 스윙을 최대화 할 시에 Q2양단의 콜렉터-에미터 전압 스윙을 최소화 시킨다.The first and second transistors Q1 and Q2 are connected together in a current mirror configuration (i.e., the emitter regions of the first and second transistors are scaled, and the electrode is a current flowing through the second transistor Q2 to the first transistor Q1). Interconnected to be a plurality of currents flowing through). The first current mirror transistor Q1 operates to bias the second transistor Q2. The third transistor Q3 (collector-base short-circuit diode) provides a DC bias supply source for the first and second transistors coupled to the current mirror, while the second transistor Q2 (current gain stage) is suitably in the active region (unsaturated). Provide the correct voltage drop to work. The second transistor Q2 (common emitter current gain) and the fourth transistor Q4 (common base voltage gain) are connected together in a cascode configuration, and the voltage drop across the Q3 diode is connected to the collector-emitter voltage swing across Q4. Maximize the collector-emitter voltage swing across Q2 when maximizing.
기술된 바와 같이, 제2트랜지스터 Q2가 전류 이득을 제공하는 반면에, 제4트랜지스터 Q4는 전압 이득을 제공한다. 제4트랜지스터 Q4를 통해 흐르는 순간 전류는 제2트랜지스터 Q2를 통해 흐르는 전류 함수이다. 두 증폭 트랜지스터단의 정동작점은 공통 바이어스 단자를 통해 동시에 제어될 수 있다. 그래서, 제1 및 2트랜지스터 Q1 및 Q2(즉, 전류 미러)의 스케일된 기하학으로 설정된 매우 정확한 이득 관계에 따라, 증폭기에 의해 발생된 출력 신호 전력은 입력 신호 레벨에 의해 직접 제어된다. 비교적 높은 파괴 전압은 전류 이득단 Q2와 캐스코드 접속함에 의해 제4트랜지스터 Q4양단에서 설정된다. 더우기, 부하 임피던스에 따라 많이 변하지 않는 비교적 저입력 커패시턴스를 제공하며, 부하 커패시턴스가 RF부하에서 제4트랜지스터 Q4의 입력으로 다시 반향되지 않는다.As described, the second transistor Q2 provides a current gain, while the fourth transistor Q4 provides a voltage gain. The instantaneous current flowing through the fourth transistor Q4 is a function of the current flowing through the second transistor Q2. The operating point of the two amplifying transistor stages can be controlled simultaneously through the common bias terminal. Thus, according to a very accurate gain relationship set in the scaled geometry of the first and second transistors Q1 and Q2 (ie, current mirrors), the output signal power generated by the amplifier is directly controlled by the input signal level. The relatively high breakdown voltage is set across the fourth transistor Q4 by cascading the current gain stage Q2. Furthermore, it provides a relatively low input capacitance that does not vary much with load impedance, and the load capacitance does not echo back to the input of the fourth transistor Q4 at the RF load.
신규 증폭기 모듈이 또한 반전 증폭기이기 때문에(그것은 두 캐스코드된 이득단을 사용하지만), 출력대 입력간의 신호 피드백이 발진을 유발시킬 가능성이 상당히 감소된다.Because the new amplifier module is also an inverting amplifier (although it uses two cascoded gain stages), the likelihood that signal feedback between the output-to-input will cause oscillation is significantly reduced.
출력단 DC전류는 입력 바이어스 전류에 의해 빈틈없이 제어됨으로써, 전력 제어가 효율 손실없이 이루어진다. 비교적 높고 정확한 이득에서 지극한 광대역 동작이 이루어질 수 있다(예를들어, 900MHz에서의 15dB이득이 100MHz에서의 25dB이득으로 쉽게 변한다).The output DC current is tightly controlled by the input bias current, so that power control is achieved without loss of efficiency. Extremely wideband operation can be achieved at relatively high and accurate gains (e.g., 15 dB gain at 900 MHz easily changes to 25 dB gain at 100 MHz).
본 발명에 따라 제조된 IC증폭기에 대해 아주 우수한 성능 특성, 간단성 및 적은 비용으로 하나로 양호하게 조합할 수 있기 때문에, RF통신 회로로 제한되지 않는 것외에 각종 서로 다른 응용내에서의 "빌딩 블록"으로서 증폭기는 광범위하게 사용될 수 있다.Because of the excellent performance characteristics, simplicity and low cost of the IC amplifiers manufactured in accordance with the present invention, they can be combined nicely into one, so that they are not limited to RF communication circuits. Amplifiers can be used extensively.
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본원 명세서를 더욱 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in more detail the present specification.
제2도는 신규 증폭기(50)에 대한 제1실시예의 개략도이다. 증폭기(50)의 활성 소자는(종래 집적 회로 배치 및 구성 기술을 이용한)단일 집적 회로 반도체 웨이퍼(52)상에서 제조되고, 단지 4개의 단자(즉, IC "패드") A 내지 D에 의해 외부 회로에 접속된다. 양호한 실시예에 있어서, 단자 A는 접지 리드이고, 단자 B는 입력 리드이며, 단자 C는 출력 리드이며, 그리고 단자 D는 바이어스 리드이다. 외부 소자를 구비한 웨이퍼(52)상에서 제조된 소자를 접속하도록 요구된 소량의 리드 때문에, 증폭기(50)는 적은 종래 4개의 리드 IC칩 패키지(예를들어, "마이크로X"패키지 캐리어)를 이용하여 제조될 수 있다. 한 가능한 칩 배치가 제4도에 도시되어 있다.2 is a schematic diagram of a first embodiment of a
4개의 트랜지스터 Q1,Q2,Q3 및 Q4는 양호한 실시예내의 웨이퍼(52)상에서 제조된다. 제2도에 도시된 모든 트랜지스터는 NPN바이폴라 접합 트랜지스터이더라도, PNP바이폴라 접합 트랜지스터나 전계 효과 트랜지스터(FET)가 그 대신에 이용될 수 있다(후자의 경우에서, 베이스-콜렉터-에미터 구조는 생각되는 바와 같은 게이트-트레인-소스 FET구조가 된다). 제2도에서, Q1의 에미터가 접지 단자 A에 접속되는 반면에, Q1의 베이스는 Q1의 콜렉터에 접속된다. Q2의 에미터가 접지 단자 A에 접속되는 반면에, Q2의 베이스는 Q1의 베이스(또한 콜렉터)에 접속된다. 입력단자 B는 Q2의 공통 접속된 베이스와 Q1의 베이스 및 콜렉터에 접속된다.Four transistors Q1, Q2, Q3 and Q4 are fabricated on
(손실 접합 전극 리드 구조를 목적한바대로 제조함으로써 웨이퍼(52)상의 트랜지스터 Q3구조부로서 포함되거나, 소정의 다른 종래 방법이나 확산으로 양호하게 제조되는)에미터 레지스터(54)를 통해 Q1의 콜렉터는 Q3의 에미터에 접속된다. Q3의 콜렉터는 Q3의 베이스에 접속됨으로써, Q3는 콜렉터-베이스 단락 다이오드로서 기능을 다한다. Q3 및 Q4의 베이스는 양자 모두 DC바이어스 입력 단자 D에 접속된다. Q4의 에미터는 Q2의 콜렉터에 접속되는 반면에, Q4의 콜렉터는 RF출력 단자 C에 접속된다.Through the emitter resistor 54 (which is included as a transistor Q3 structure on the
통상적인 응용에 있어서, RF신호원(56)은 결합 커패시터(58) 및 종래 매칭 회로망(60)을 통해 입력 단자 B에 결합된다. 결합 커패시터(58)는 DC레벨을 입력단자 B 및 소스(56)사이에 결합되지 않게 하는 반면에, 매칭 회로망(60)은 입력단자 B에서 발생한 입력 임피던스에 대해 소스(56)의 입력 임피던스를 매치한다. RF부하(62)는 직렬 접속된 결합 커패시터(64)를 통해 출력단자 C에 접속된다. RF에너지가 전원 공급장치로 흐르는 것을 방지하도록 RF초우크(66)는 출력단자 C와 전원 공급 전압 VCC사이에서 직렬로 접속된다. 바이패스 커패시터(68)는 RF접지를 제공하도록 VCC및 접지 전위 사이에 접속된다. 바이어스 저항(70)은 VCC및 바이어스 단자 D사이에 접속된다. 선택적으로, 제어된 바이어스 전류원은 공급 단자 D에 직접 접속된다. 바이어스 단자 D 및 접지 전위 사이에 접속된 비교적 크 바이패스 커패시터(72)는 바이어스 단자 D가 RF접지 전위에 있게 된다. 접지단자 A는 DC 및 RF접지 전위에 직접 접속된다.In a typical application, RF signal source 56 is coupled to input terminal B through coupling capacitor 58 and
출력 증폭단 Q2,Q4내의 DC전류와 입력 DC바이어스 전류 사이에서 정확한 관계를 제공하도록 트랜지스터 Q1 및 Q2는 스케일된 기하학 상태를 갖는다. 예를들면, 트랜지스터 Q1의 에미터가 상대적인 크기 10X를 갖도록 제조되고, Q2의 에미터는 상대적인 크기 100X를 갖도록 제조되는 경우, 트랜지스터 Q2를 통해 흐르는 증배된 전류 M.I bias는 트랜지스터 Q3 및 Q1을 통해 흐르는 DC입력 바이어스 전류 Ibias의 거의 10배이다(그래서, M은 10과 같다). 트랜지스터 Q2의 전류와 바이어스 전류 사이에서(공지된) 상기 직류 "전류 미러"관계는 증폭기(50)의 전체 효율을 증가시키며, 또한 증폭기 RE전력 출력을 직접 제어하게 한다. 예를들면, 증폭기(50)의 정동작점이 바이어스 저항기(70)의 값(또는 전류원)을 간단하게 선택함으로써 변화될 수 있다. 바이어스 저항(70)이 비교적 작은 저항값을 가질 경우, 증폭기(50)는 선형 A급 또는 B급 모드에서 작동한다. 한편으로, 증폭기(50)는 바이어스 저항(70)의 저항값을 비교적 큰 값으로 설정함으로써 C급 모드에서 작동하도록 세트된다(즉, 여기서 부하 전류는 입력 신호 피크시를 제외하고 차단된다). 이런 점에서, 증폭기 작동에 대한 효율 및 소정의 급은 서로 다른 응용에 적합하도록 쉽게 조정된다.Transistors Q1 and Q2 have a scaled geometry state to provide an accurate relationship between the DC current in the output amplifier stages Q2, Q4 and the input DC bias current. For example, if the emitter of transistor Q1 is manufactured to have a relative size of 10X, and the emitter of Q2 is manufactured to have a relative size of 100X, then the multiplied current MI bias flowing through transistor Q2 is the DC flowing through transistors Q3 and Q1. It is almost 10 times the input bias current Ibias (so M is equal to 10). The direct current " current mirror " relationship between the current and bias current of transistor Q2 (known) increases the overall efficiency of
3의 단락 콜렉터-베이스 접합은 소스(56)에 저입력 임피던스를 제공할 수 있다. 이것은 바이어스 단자 D가(외부 바이패스 커패시터(72)의 효과에 의한) RF접지에 위치하고, 콜렉터-베이스 단락 Q3가 단락 회로로서 입력 소스에 발생된다(즉, "다이오드" Q3는 작동시에 "온"상태로 순방향 바이어스 된다). 상기 저입력 임피던스는, 또한 전류 이득 트랜지스터 Q2가 사실상 저 임피던스원에 의해 구동되어, 저 전압 스윙만을 Q2의 콜렉터상에서 존재하게 한다(그래서 저 피드백이나 "밀러"커패시턴스를 입력 단자 B에 인가한다). 저항(54)은 단지 트랜지스터 Q3와 관련된 부하 손실을 감소시키며(본 실시예에서, 저항(54)은 30 내지 100오옴 정도의 값을 갖는다).The shorting collector-base junction of 3 can provide low input impedance to the source 56. This causes bias terminal D to be placed on the RF ground (due to the effect of external bypass capacitor 72) and a collector-base short circuit Q3 is generated at the input source as a short circuit (i.e. Forward biased to the "state. The low input impedance also causes the current gain transistor Q2 to be driven by a virtually low impedance source, so that only low voltage swings are present on the collector of Q2 (so that low feedback or H Miller mirror capacitance is applied to the input terminal B).
Q4의 콜렉터에서 출력 전압 스윙을 최대화 하도록 트랜지스터(다이오드)Q3는 또한 접지 전위에 근접한 값에 트랜지스터 Q2의 콜렉터 전압을 바이어스 시키는 역할을 한다. Q4에서 출력 전압 스윙을 최대화 시킴으로써, 증폭기(50)의 전체 출력 전력은 정해진 량의 입력 DC전력에 대해 최대가 되어 증폭기의 효율을 높인다. 증폭기(50)가 바테리 작동 전원 공급 장치에서의 전원 공급 전압 VCC에 제공될 경우에 효율은 특히 중요하다.Transistor (diode) Q3 also serves to bias the collector voltage of transistor Q2 to a value close to ground potential to maximize the output voltage swing at the collector of Q4. By maximizing the output voltage swing at Q4, the total output power of the
Q4의 베이스가 또한(외부 바이패스 커패시터(72)에 의한) RF접지 전위에 위치하기 때문에, 전류 이득단 Q2의 콜렉터에 접속되어 있는 RF부하 임피던스는 극히 낮다. 그래서, (예를들어, 변하는 부하 임피던스(62)의 결과로서)밀러 효과에 의해 Q4의 베이스에 반향된 소정의 변하는 커패시턴스는 Q2의 베이스에 다르게 반향되지 않는다. 결과로서, 지극히 저 밀러 커패시턴스가 입력 단자 B에 반향된다.Since the base of Q4 is also located at the RF ground potential (by the external bypass capacitor 72), the RF load impedance connected to the collector of the current gain stage Q2 is extremely low. Thus, any varying capacitance reflected to the base of Q4 by the Miller effect (eg, as a result of changing load impedance 62) does not echo differently to the base of Q2. As a result, extremely low miller capacitance is reflected at the input terminal B.
Q4의 입력 임피던스는 그것이 공통 베이스 구성내에 접속되기 때문에 매우 낮다. 더욱이, 트랜지스터 Q2 및 Q4는 캐스코드 장치로 접속됨으로써, 고출력 임피던스가 트랜지스터 Q4에서 상당량의 전압 이득을 성취하도록 출력 단자 C에 인가된다. 캐스코드 장치(즉, 전압 이득 증폭기 Q4를 공급한 전류 이득 증폭기 Q2)는 또한 부하(62)가 증폭기(50)의 출력 임피던스와 미스매치된 임피던스 및, 동조 회로 등일 경우에 이용되는)모듈의 RF출력 단자 양단의 고 파괴 저압 외에도 트랜지스터 Q4의 베이스에 대한 부하(62)의 임피던스내의 변화의 더욱 낮은 반향을 유발한다.The input impedance of Q4 is very low because it is connected in a common base configuration. Furthermore, transistors Q2 and Q4 are connected to the cascode device so that high output impedance is applied to output terminal C to achieve a significant amount of voltage gain at transistor Q4. The cascode device (i.e., current gain amplifier Q2 which supplied voltage gain amplifier Q4) is also the RF of the module when the load 62 is the output impedance of the
증폭기(50)의 부가 전력 저항 특징은 입력 단자 B에서 발생하는 피크 정류 작용에서 유도된다. 소스(56)에 의해 발생된 신호가 증가함에 따라, DC바이어스 전압은 트랜지스터 Q1의 베이스에서의 정류 작용을 유발하는 결합 커패시터(58)(또는 매칭 회로망(60)에 대한 내부 등가 커패시턴스)양단에서 발생된다. 상기 DC바이어스 전압은 출력단 Q2 및 Q4내의 DC바이어스 전류를 감소시키게 함으로써, 효율(즉, DC입력 전력에 대한 출력 RF전력비)이 증가된다. 부품값을 선택함으로써, 증폭기(50)의 전체 출력 RF전력은 정해진 량의 DC입력 전력에 대한 이론상의 최대값에 접근될 수 있다.The additional power resistance characteristic of the
증폭기(50)는 전부 반전 증폭기이다(즉, 입력 단자 B에서의 전압 증가는 출력 단자 C에서의 전압 감소를 유발시킨다). 이러한 이유는 공통 에미터의 제1단 Q2는 반전되지만, 캐스케이드된 공통 베이스의 제2단 Q4는 반전되지 않기 때문이다. 그래서, 증폭기(50)를 발진시키도록 정 피드백은 출력 단자 C로부터 입력단자 B로 발생할 가능성은 없다. 출력단자 C와 입력단자 B사이에서 소정의 피드백은(피드백이 부 또는 퇴화 피드백이므로)증폭기 이득을 약간 감소시키지만, 증폭기의 안정성을 높인다.The
트랜지스터 Q1 내지 Q4가 유사한 제조 기술을 이용한 같은 웨이퍼(52)상에서 모두 양호하게 제조되기 때문에 증폭기(50)는 비교적 양호한 온도 안전성을 갖는다. 한 트랜지스터에 영향을 주는 소정의 온도 변화는 또한(각 소자가 같은 온도 계수를 가지므로)같은 방식으로 다른 세개의 트랜지스터에도 영향을 준다. 어떤 경우에 있어서, 바이어스 저항(70)은 온도 변화에 따라 저항값도 변한다. 또한, Q1 및 Q2 양단에서 베이스-에미터간의 전압 드롭은 약간 온도에 따라 변한다. 그러나, 이들 계수는 단지 비교적 적은 량으로 Ibias값을 변화시켜, 웨이퍼(52)의 온도 변화를 감소시키도록 특별한 측정을 할 필요가 없이 양호 온도 안정성이 이루어진다는 것을 알 수 있다.The
바이폴라 NPN트랜지스터가 통상적으로 N형 개시물과 구성되지만, P형 개시물을 사용하여, 콜렉터 전극으로서 작용하도록 상기 P형 개시물내에 N형 포켓을 주입시키는 것이 좋다. 이런 식으로, IC웨이퍼 뒷면은 IC패키징을 단순화 시키도록 직접 접지되어, IC캐리어에 따라 개량된 열 접촉을 허용한다.Although bipolar NPN transistors are typically configured with an N-type initiator, it is preferable to use an P-type initiator to inject an N-type pocket into the P-type opening to act as a collector electrode. In this way, the IC wafer backside is directly grounded to simplify IC packaging, allowing improved thermal contact along the IC carrier.
제3도는 본 발명의 또다른 개량된(그리고 이내 양호하게된)실시예의 개략도이다. 제3도에 도시된 실시예는 저항(74)(R2) 및 (76)(R1)이 가산된 것을 제외하고 제2도에 도시된 실시예에 모두 관련되어 있는 것을 식별할 수 있다. 저항(74)은 Q1의 베이스 및 콜렉터 사이에 접속되므로(Q1은 그 콜렉터에 직접 단락된 베이스를 더 이상 갖지 않는다). 레지스터(76)는 Q2의 베이스와 Q1의 콜렉터 사이에 접속된다. 저항(74 및 76)은 두 목적을 갖고 있는데, (1) 입력 소스(56)에서 증폭기를 절연하기 좋고, (2) 그러한 개량된 절연이 이루어짐에도 불구하고 트랜지스터 Q2 및 Q1에 대한 소정의 전류 미러 매칭을 유지한다.3 is a schematic diagram of another improved (and soon preferred) embodiment of the present invention. The embodiment shown in FIG. 3 can identify that it is related to both the embodiment shown in FIG. 2 except that resistors 74 (R2) and 76 (R1) are added. Resistor 74 is connected between the base of Q1 and the collector (Q1 no longer has a base shorted directly to the collector). The register 76 is connected between the base of Q2 and the collector of Q1. Resistors 74 and 76 serve two purposes: (1) good isolation of the amplifier at the input source 56, and (2) a predetermined current mirror for transistors Q2 and Q1 despite such improved isolation. Keep matching.
제2도에 도시된 실시예에 있어서, 입력 단자 B는 저항(54)(제3도의 라벨된 R3)을 통하여 Q3의 에미터에 결합된다. Q3는 순방향 바이어스된 콜렉터베이스 단락 다이오드로서 작동하여, 입력 단자 B에 인가된 RF신호에 거의 단락 회로처럼 나타난다. Q3의 공통 접속된 베이스 및 콜렉터는 바이어스 단자 D에서(바이패스 커패시트(72)를 통해) RF접지에 접속된다. 어떤 절연이 트랜지스터 Q3의 에미터와 입력단자 B사이에서 제공되지 않으면, 입력단자 B에 인가된 입력 신호의 과부하가 어떤 상황하에 발생한다.In the embodiment shown in FIG. 2, input terminal B is coupled to the emitter of Q3 through resistor 54 (labeled R3 in FIG. 3). Q3 acts as a forward-biased collector-base short-circuit diode, appearing almost like a short circuit in the RF signal applied to input terminal B. The common connected base and collector of Q3 are connected to RF ground at bias terminal D (via bypass capacitor 72). If no isolation is provided between the emitter of transistor Q3 and input terminal B, overload of the input signal applied to input terminal B occurs under some circumstances.
(종래 확산형 집적 회로 저항이거나, 또는 트랜지스터 Q3의 구조로 통상 구성되는)저항(54)은 트랜지스터 Q3와 관련된 소정의 부하 손실을 감소시킨다. 그러나, 그러한 부하 손실을 감소시켜 입력 단자를 더욱 절연시키도록 또다른 저항(76)은 트랜지스터 Q3의 에미터와 입력단자 B사이에서 직렬로(제3도에 도시된 바와 같이)접속된다. 사실상, 저항(76)은 입력 RF전력을 콜렉터-베이스 단락 다이오드 Q3로 너무 많이 흐르지 못하게 함으로써, 소스 부하를 최소로 하여 입력 단자 B에 인가된 RF전류를 더욱 효율적으로 이용한다(그때 대부분의 상기 전류는 유용한 RF입력으로서 트랜지스터 Q2에 흐른다).Resistor 54 (which is conventionally a diffused integrated circuit resistor, or typically configured in the structure of transistor Q3) reduces the predetermined load loss associated with transistor Q3. However, another resistor 76 is connected in series (as shown in FIG. 3) between the emitter of transistor Q3 and input terminal B to reduce such load loss to further insulate the input terminal. In fact, resistor 76 prevents the input RF power from flowing too much into the collector-base short circuit diode Q3, thereby minimizing the source load to more efficiently utilize the RF current applied to input terminal B (the majority of the current then Flows through transistor Q2 as a useful RF input).
다시 기술되는 바와 같이, Q1 및 Q2는 전류 미러 구성내에서 기하학적으로 스케일 되어, 전류가 소정의 비율로 매치된다. 그래서, 저항(74)은 상기 전류 매칭을 유지하도록 가산된다. 저항(76)값은 충분한 입력절연을 제공하도록 요구대로 선택된다. 다시 기술되는 바와 같이, 트랜지스터 Q2의 영역은 트랜지스터 Q1의 영역의 M배이다. 그래서, 트랜지스터 Q1 및 Q2 사이에서 스케일된 전류 매치 관계를 유지하도록 저항(74)값은 저항(76)값의 M배로 선택된다.(상기 두 트랜지스터는 동일 기판상에서 제조되어 동일 전류 밀도로 작동하므로, 일반적 다음과 같이 되는)βQ1=βQ2라고 가정하면, Q2의 베이스 전류는 Q1의 베이스 전류보다 M배 더 크다. 저항(74)이 저항(76)보다 M배 더 크게 구성되는 경우, 저항(74 및 76) 양단의 전압드롭은 같다. 일반적인 경우에 있어서, 저항(74)의 저항값은 저항(76)의 저항값보다 N배 더 크게 구성되는데, 여기서 N은 트랜지스터 Q2 및 Q1사이에서 전류 매칭을 유지하도록 IC칩 배치상에서의 트랜지스터 Q1의 영역대 트랜지스터 Q2의 영역비이다.As will be described again, Q1 and Q2 are geometrically scaled within the current mirror configuration so that the current matches at a predetermined rate. Thus, resistor 74 is added to maintain the current match. The resistor 76 value is selected as required to provide sufficient input isolation. As will be described again, the area of transistor Q2 is M times the area of transistor Q1. Thus, the value of resistor 74 is chosen to be M times the value of resistor 76 to maintain a scaled current match relationship between transistors Q1 and Q2. (The two transistors are manufactured on the same substrate and operate at the same current density. Assuming that βQ1 = βQ2, which is generally as follows, the base current of Q2 is M times greater than the base current of Q1. If resistor 74 is configured to be M times larger than resistor 76, the voltage drops across resistors 74 and 76 are equal. In the general case, the resistance value of resistor 74 is configured to be N times larger than the resistance value of resistor 76, where N is the value of transistor Q1 on the IC chip arrangement to maintain current matching between transistors Q2 and Q1. This is the area ratio of area to transistor Q2.
제3도의 실시예는 제5a 내지 5c도(10mW), 제6a 내지 6c(50mW) 및 제7a 내지 7c(150mW)에서의 세 특정한 최대 전력 레벨에 대해 도시된다. 제5a,6a 및 7a도에 대해 재작성된 개략도는 부품값이 도시되고, 그리고 외부 접지 및 바이어스 접속점 A 및 D에 대해 범위외의 평행 접속된 IC패드 접속 단자가 도시된다. 제5b,6b 및 7b도는 각종 IC패드가 명백히 이루어지는 제1스케일에서 칩 배치에 대한 개략도이다. 각 IC칩 배치의 중앙 "작업(working)"부는 제5c,6c 및 7c에서 확대된 스케일로 도시된다. 종래 IC제조프로세스가 사용될 수 있으므로, 또다른 상세한 설명을 할 필요가 없다.The embodiment of FIG. 3 is shown for three specific maximum power levels in FIGS. 5A-5C (10 mW), 6A-6C (50 mW) and 7A-7C (150 mW). The schematics rewritten for FIGS. 5A, 6A, and 7A show the part values, and the IC pad connection terminals out of range with respect to the external ground and bias connection points A and D are shown. 5B, 6B, and 7B are schematic diagrams of chip placement at a first scale in which various IC pads are apparent. The central " working " portion of each IC chip arrangement is shown on an enlarged scale in 5c, 6c and 7c. Since a conventional IC manufacturing process can be used, no further detailed explanation is required.
각종 입력 전력 레벨인 100MHz에서 800MHz인 주파수에 대한 통상적인 출력 전력 곡선이 제8도에 도시된다. 제9도는 각종 바이어스 전류에 대해 400MHz에서 500MHz의 통상적인 출력 전력 곡선(및 효율)이 도시된다. 50MHz에서 860MHz의 주파수 범위를 통해 통상 측정된 입력 및 출력 임피던스가 아래 표 1에 도시된다.A typical output power curve for the frequencies of 100 MHz to 800 MHz, which is the various input power levels, is shown in FIG. 9 shows a typical output power curve (and efficiency) of 400 MHz to 500 MHz for various bias currents. The input and output impedances typically measured over the frequency range of 50 MHz to 860 MHz are shown in Table 1 below.
[표 1]TABLE 1
신규 RF증폭기 모듈은 아래와 같은 바람직한 특징중에서 약간 또는 모두 제공할 수 있는 것으로 생각된다.It is contemplated that the new RF amplifier module can provide some or all of the following desirable features.
바람직하다면, IC칩은 4개의 리드된 마이크로파 패키지내에 적합하다.If desired, the IC chip is suitable in four leaded microwave packages.
IC칩의 뒷부분은 접지 전위에 직접 접속되어, 열 결합을 향상시키고, 동시에 IC패키징을 간단하게 한다.The backside of the IC chip is directly connected to ground potential, improving thermal coupling and simplifying IC packaging at the same time.
다중 접지 및 바이어스 IC패드는 전선 접속 인덕턴스/콘덕턴스 문제를 완화시키도록 가산된다.Multiple ground and bias IC pads are added to mitigate wire connection inductance / conductance issues.
간단한 외부 회로를 통해 양호한 바이어스 제어는 A급, B급 또는 C급 증폭기 동작을 쉽게 성취하는데에 제공된다.Through simple external circuits, good bias control is provided to easily achieve class A, B or C amplifier operation.
전력 레벨 제어는 또한 같은 간단한 바이어스 제어 및, 같은 외부 바이어스 리드 접속점을 통해 성취된다.Power level control is also achieved through the same simple bias control and the same external bias lead junction.
입력 및 출력 커패시터스는 더욱 적게 된다(저밀러 커패시턴스).The input and output capacitors are even smaller (low miller capacitance).
입력 및 출력 커패시턴스는(소자 설계로 제어 가능한) 이득, 부하, 신호 레벨이나 주파수에 크게 관련되어 있지 않다.Input and output capacitance are not strongly related to gain, load, signal level, or frequency (which can be controlled by device design).
안정된 고 이득 요소(예를들면, 통상적인 이산부품 설계에 대해 단지 5dB 이득과 비교된 960MHz에서의 15dB이득).Stable high gain factor (eg, 15 dB gain at 960 MHz compared to only 5 dB gain for a typical discrete component design).
단지 본 발명의 소수 실시예가 기술되었지만, 부가적이고 선택적인 실시예 및 설정 구성이 본 기술의 숙련자에게는 명백해질 것이다. 예를들면, 기술된 모든 트랜지스터가 NPN트랜지스터이지만, (갈륨 비소화활성소자와 같은)전계 효과 트랜지스터나 PNP바이폴라 접합 트랜지스터는 그 대용으로 이용될 수 있다. 더욱이, 어떤 상황에 있어서, 직접 접속이나 다른 형태의 회로 소자는 바람직하다면 저항(74),(76) 또는 (54)에 대용될 수 있다. 수납 가능한 저 레벨로 트랜지스터 Q2의 커패시턴스를 유지할 시에 더욱 높은 공급 전압 VCC를 사용할 수 있도록 부가 콜렉터 단락 다이오드를 트랜지스터 Q3에 의해 형성된 상기 하나의 다이오드와 직렬로 가산시키는 것이 바람직하다. 쉽게 알 수 있듯이, 하나 또는 그 이상의 두 단자 소자(즉, PN접합 다이오드)는 적어도 트랜지스터 Q3에 대용될 수 있다. 트랜지스터 Q1 및 Q2가 기술된 전류매칭을 성취하도록 같은 웨이퍼상에서 제조되지만, 바람직하다면, 다른 회로 소자는 같은 웨이퍼상에 반듯이 포함될 필요가 없으므로 어떤 응용에 대한 이산 외부 소자가 될 수 있다. 그리고, 부가 트랜지스터 구조가 가산된다(예를들어, 고 전력을 발생시킬 수 있도록 실시예에 도시된 어떤 트랜지스터 구조와 병렬로 접속된다). 따라서, 본 발명의 적어도 소수의 신규형을 실현하도록 계속되는 상기 및 모든 다른 대안은 다음과 같은 적어도 광범위 청구범위의 범주를 벗어나지 않는다.While only a few embodiments of the invention have been described, additional and alternative embodiments and setup configurations will become apparent to those skilled in the art. For example, although all transistors described are NPN transistors, field effect transistors (such as gallium arsenide active elements) or PNP bipolar junction transistors can be used in their place. Moreover, in some situations, direct connections or other types of circuit elements may be substituted for
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